Изучаем генераторы постоянного и переменного тока

Обозначение источника тока на схемах (вариант)
Исто́чник то́ка

(в теории электрических цепей) — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины
генератор тока
и
идеальный источник тока
.

Источник тока используется в качестве простейшей модели некоторых реальных источников

электрической энергии или как часть более сложных моделей реальных источников, содержащих другие электрические элементы. Следует заметить, что электрические характеристики реальных источников могут быть близки к свойствам источника тока или его противоположности — источника напряжения.

В электротехнике источником тока называют любой источник электрической энергии.

Свойства[ | ]

Идеальный источник тока[ | ]

Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

I = const {\displaystyle I={\text{const}}}

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!

) зависит только от сопротивления R {\displaystyle R} подключенной к нему нагрузки:
U = I ⋅ R {\displaystyle U=I\cdot R}
Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

P = I 2 ⋅ R {\displaystyle P=I^{2}\cdot R}

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник[ | ]

В линейном приближении любой реальный

источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (то есть идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно,
реальный
источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E {\displaystyle {\mathcal {E}}} источника напряжения (или силы тока I {\displaystyle I} источника тока) и внутреннего сопротивления r {\displaystyle r} (или внутренней проводимости y = 1 / r {\displaystyle y=1/r} ).

Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением r {\displaystyle r} эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление r {\displaystyle r} и ЭДС E = I ⋅ r {\displaystyle {\mathcal {E}}=I\cdot r} .

Напряжение на клеммах реального источника тока равно

U out = I R ⋅ r R + r = I R 1 + R / r . {\displaystyle U_{\text{out}}=I{\frac {R\cdot r}{R+r}}=I{\frac {R}{1+R/r}}.}

Сила тока в цепи равна

I out = I r R + r = I 1 1 + R / r . {\displaystyle I_{\text{out}}=I{\frac {r}{R+r}}=I{\frac {1}{1+R/r}}.}

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна

P out = I 2 R ( 1 + R / r ) 2 . {\displaystyle P_{\text{out}}=I^{2}{\frac {R}{\left(1+R/r\right)^{2}}}.}

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Принцип работы любого электрического генератора

Принцип работы любого электрического генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция преобразовывает механическую энергию двигателя (вращение0 в энергию электрическую. Принцип магнитной индукции: если в однородном магнитном поле В равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С., частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один — Э.Д.С., изменяющаяся по гармоническому закону.

Вот теперь и поговорим о асинхронном и синхронном генераторе более подробно.

Примеры[ | ]

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени ( t ≪ L / R {\displaystyle t\ll L/R} ) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) приводит к резкому возрастанию напряжения между контактами и к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока устроены и работают по принципу простейшего экспериментального альтернатора. Эти устройства состоят из следующих элементов:

1. Ротор. Представляет собой металлический сердечник, надетый на основной вал генератора. Ротор может быть оснащен обмоточным проводом или не иметь его. Все зависит от типа устройства. Ротор подвижная часть устройства. Приводится в движение за счет приводного механизма (двигателя, турбины, лопастей).
2. Статор. Неподвижная часть, которая так же оснащена медной обмоткой. Обмотка помещена в специально прорезанные пазы, имеет изоляцию между металлическим корпусом и самим проводом.
3. Контактные кольца с щетками или коллектором. Эти элементы используются для подачи постоянного напряжения к обмоткам для их первоначального возбуждения. Также коллектор используется в качестве выпрямителя. Он предотвращает смену направленности.

Работает такой генератор по следующему принципу:

1. Ток возбуждения поступает на обмотку статора, который является постоянным магнитом. Далее происходит образование магнитного поля.
2. Вращающийся ротор с обмоткой также становится постоянным магнитом. Из-за этого создается ЭДС между статором и ротором.
3. Во время вращения происходит пересечение магнитного поля, за счет чего образуется переменный ток.
4. Ток поступает через коммутационный щеточный узел в подключенную цепь.

Генераторы переменного тока имеют множество разновидностей. Они отличаются по:

1. Классификации. Могут быть синхронными и асинхронными. Синхронные зависимы от частоты вращения и частоты переменного ЭДС. Такие генераторы легко определить визуально. Их подвижный ротор имеет обмотку. Асинхронные не имеют обмотки на роторе. Они не зависят от частоты вращения, более устойчивы к изменению частоты оборотов и не подвержены быстрому нагреву во время коротких замыканий.

2. По способу возбуждения. Выделяются 4 основных типа: от постороннего источника питания; самовозбуждающиеся; от более мощного генератора, который работает совместно с основным; от постоянного магнита.
3. По количеству фаз. Различаются одно-, двух- и трехфазные модели. Самыми распространенными являются трехфазные типы устройств.
4. По способу соединения обмотки статора. Основных схем существует 2 — это треугольник и звезда. Отличаются эти две схемы способом соединения. Когда используется «звезда», то все концы обмоток соединены в одной точке. «Треугольник» — предусматривает последовательное соединение всех концов обмотки.

5. По конструкции. Генераторы переменного типа могут быть: с неподвижным статором или с неподвижным ротором.
6. По способу преобразования энергии.

Также генераторы могут отличаться по способу эксплуатации. Они бывают стационарными или переносными.

Применение[ | ]

Рисунок 2. Генератор тока типа «токовое зеркало», собранный на биполярных транзисторах
Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

• Источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Применяется в основном для полевых транзисторов и электронных ламп.
• Источник тока, управляемый током (ИТУТ). Применяется, как правило, для биполярных транзисторов.

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2

эта схема выступает как источник тока.

Компании-производители

Поскольку клеммы — необходимый элемент любой электроники, такой товар обладает высоким спросом, и многие компании его производят.

К числу основных компаний-производителей клемм относятся:

• Weidmuller. Один из крупнейших производителей систем автоматизации и промышленных соединений. Сегодня клеммы от Weidmuller известны во многих странах мира, в том числе и в России. Компания является крупным международным холдингом и имеет представительства в более чем восьмидесяти странах мира.
• Phoenix Contact. В группу компаний входит двенадцать предприятий, имеются собственные производственные структуры. Компания отличается производством качественных клемм для высокого ценового сегмента. Этот изготовитель имеет представительства приблизительно в тридцати странах мира.
• WAGO Kontakttechnik. Один из крупнейших немецких производителей, предлагающий клеммы во многих странах мира. Является изобретателем зажима Cage Clamp, что стало причиной популярности во всем мире. Имеет собственные заводы, которые находятся в разных странах мира, в том числе, в Европе. Производитель предлагает товары высокого качества в премиум сегменте.

Существуют также другие компании-производители клемм и клеммников, но представленных выше трех компаний вполне достаточно, чтобы выбрать подходящее устройство. Разумно отдавать предпочтение продуктам известных производителей.

Обозначения[ | ]

Существуют различные варианты обозначений источника тока. Наиболее часто встречаются обозначения (a) и (b). Вариант (c) устанавливается ГОСТ[1] и IEC[2]. Стрелка в кружке указывает положительное направление тока в цепи на выходе источника. Варианты (d) и (e) встречаются в зарубежной литературе. При выборе обозначения нужно быть осмотрительным и использовать пояснения, чтобы не допускать путаницы с источниками напряжения.

Технические требования к клеммным зажимам

Перед тем, как подбирать клеммы вам необходимо обратить свое внимание на требования которые предъявляются к данным устройствам. Они должны обладать высокой безопасностью, так как клеммы предполагают работу с электрическими сетями.

Рассмотрим перечень этих требований:

• Клеммы должны быть выполнены из высококачественного пластика, который выдерживает высокие температуры. Обычно выбирают устройства из жидкокристаллических полимеров.
• Пластик должен обладать огнеупорными свойствами. Обычно выбирают пластик с содержанием полиамида.
• Зажим клеммы должен быть выполнен из материалов, которые выдерживают высокие температуры и не подвергаются коррозии. Обычно выбирают зажимы из нержавеющих материалов.

Химический источник тока

Химические источники питания постоянного тока – это семейство устройств и аппаратов, которые выдают напряжение на своих клеммах в результате внутренних химических процессов окисления или гальванизации. Их работа основана на реакциях химических веществ, которые, вступая во взаимодействие между собой, производят постоянный электроток.

К сведению. Процессы, протекающие в химических источниках (ХИТ), идут без тепловых или механических воздействий. Это выделяет их в особый ряд среди устройств, генерирующих напряжения постоянной полярности.

Некоторые виды химических источников тока

Термины и определения подробно описаны в ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011, введённом в действие 01.07.2012 года. В нём сокращённо обозначены химические источники тока – ХИТ.

Разделение по видам ХИТ производят в следующей градации:

• первичные;
• топливные;
• аккумуляторы.

Это различие проведено по способу действия источника.

Элементы однократного применения – первичные источники. В них заложен конечный запас реагентов, которые вступят в реакцию и перестанут вырабатывать энергию по окончании процесса. Это различные батарейки типа АА.

Топливные ХИТ способны работать постоянно, но требуют поступления новой дозы веществ и удаления отработанных продуктов. По сути, это гальваническая ячейка, куда подводятся раздельно топливо и окислитель, они вступают в реакцию на двух электродах. В электролите растворяется топливо, и происходит катодное окисление. Это практически прецизионный лабораторный процесс.

Вторичные элементы, которые имеют возможность использоваться много раз, после подзаряда или перезаряда называются аккумуляторами. Если к таким устройствам подключить ток, то они снова регенерируются и аккумулируют энергию. Они нашли самое широкое применение в питании мобильных устройств и механизмов.